Les ions nitrate dans l eau. Type de ressources : Activité : résolution de problème à partir de résultats expérimentaux

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1 PhysiqueChimie Programme de Terminale S Les ions nitrate dans l eau Thème : Agir Economiser les ressources et respecter l environnement Contrôle de la qualité par dosage Type de ressources : Activité : résolution de problème à partir de résultats expérimentaux Notions et contenus : Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce à l aide de courbes d étalonnage en utilisant la spectrophotométrie et la conductimétrie, dans le domaine de la santé, de l environnement ou du contrôle de la qualité. Compétences travaillées ou évaluées : S'approprier la problématique Elaborer une stratégie de résolution Mobiliser des connaissances Extraire l information utile Développer l'autonomie Nature de l activité : Résolution de problème Résumé : Activité de type résolution de problème pour une classe de TS. A partir des résultats expérimentaux d un dosage spectrophotométrique, il faut déterminer la quantité d ions nitrite contenue dans l eau puis en déduire celle des ions nitrate, puis comparer avec la DJA recommandée par l OMS Plusieurs résolutions sont possibles Mots clefs : absorbance, spectrophotométrie, dosage Académie où a été produite la ressource : REIMS

2 PhysiqueChimie Programme de Terminale S Les ions nitrate dans l eau Table des matières Contextualisation... 3 Les documents supports... 3 à 4 Remarques et conseils pour les enseignants... 4 à 11

3 PhysiqueChimie Programme de Terminale S Les ions nitrate dans l eau 1. Contextualisation Dans une lettre de l Unifa datant du mois d octobre 2010, Valentin a retenu que : «L Organisation Mondiale de la Santé (OMS) a fixé une DJA pour l homme de 3,65 mg de nitrates par kilogramme de poids corporel. On estime que la quantité moyenne journalière de nitrates ingérés dans une alimentation de type occidentale est de l ordre de 175 mg». D autre part, il sait que certains captages exploités pour l eau du robinet ont été abandonnés en raison d un excès de nitrate Valentin aimerait savoir s il dépasse ou non la DJA (= Dose Journalière Admissible ) recommandée par l OMS en buvant chaque jour de l eau du robinet. En vous aidant des documents mis à votre disposition, répondez à Valentin. 2. Les documents supports Document 1 : Principe du contrôle de la concentration en nitrate La teneur en ions nitrate peut être déterminée par spectrophotométrie après réduction en ions nitrite et coloration de ceuxci grâce à un réactif R de diazotation (*). Une comparaison avec des solutions étalons de concentration parfaitement connue est nécessaire. (*) Obtention du réactif R de diazotation : A 800 ml d eau, ajouter 100 ml d acide orthophosphorique concentré, puis 40 g de sulfanilamide (Sigma S 9251). Laisser dissoudre, puis ajouter 2 g de NNaphtyl1éthylènediamine dichlorhydrate.agiter jusqu à dissolution complète et ajuster à 1000 ml avec de l eau. Document 2: Protocole expérimental Eau du robinet à analyser Cette eau a été passée sur une colonne contenant du cadmium. Tous les ions nitrate ont été réduits en nitrite et le cadmium métallique oxydé en ion Cd 2+. Soit P 1 la solution obtenue après passage sur colonne de cadmium et C 1 sa concentration en ions nitrite. A l'aide d'une fiole jaugée on a dilué 10 fois la solution P 1. Soit P 1 la solution obtenue de concentration C' 1 eau à analyser cadmium P 1 Préparation des solutions étalons Dans une fiole jaugée, on a préparé une solution étalon E 0 contenant des ions nitrite. préparer 5 cuves «macro» spectrophotométriques (dont la contenance peut atteindre 17mL) contentant les mélanges de solutions comme indiqué dans le tableau (Doc 3) laisser reposer 15 minutes dans l'obscurité mesurer les absorbances à une longueur d'onde de 540 nm

4 Document 3: Résultats expérimentaux Solutions E 0 E 1 E 2 E 3 P' 1 Solution étalon E 0 de nitrite (ml) Eau à analyser 9,8 Eau distillée 0 3,8 7,8 9,8 0 Réactif R de diazotation (*) (ml) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Absorbance (λ = 540 nm) 0,884 0,511 0, ,431 Concentration massique en ions nitrite (mg.l 1 ) 0,98 0,59 0,20 0? (*) Les ions nitrites donnent avec un réactif de diazotation une coloration rose Document 4 : Données Les couples rédox : NO 3 / NO 2 et Cd 2+ / Cd Spectre d absorption de la solution étalon E 0 Masse molaire (en g.mol 1 ) M N = 14,0 M O = 16,0 M Cd = 112,4 3. Remarques et conseils pour les enseignants La classe : Première S La durée : 1 heure Dans le programme de la classe visée : AGIR : Défis du XXI ème siècle Économiser les ressources et respecter l environnement Notions et contenus Compétences exigibles Contrôle de la qualité par dosage Dosages par étalonnage : spectrophotométrie Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer la concentration d une espèce à l aide de courbes d étalonnage en utilisant la spectrophotométrie et la conductimétrie, dans le domaine de la santé, de l environnement ou du contrôle de la qualité. Cette activité permet d'exploiter des résultats issus d'une démarche expérimentale. Des données sont manquantes (tel que masse de Valentin et / ou volume d'eau du robinet ingéré) Il est important que chaque élève ait dégagé clairement une problématique après lecture de l'activité.

5 Plusieurs chemins de résolution sont possibles. Les élèves sont laissés libres d'identifier leur propre problématique. Quelques exemples de problématiques énoncées par des élèves : Quelle est la masse totale d'ions nitrate ingérée par Valentin, puis comparaison avec la DJA? (problématique la plus «choisie» par les élèves) Quelle est la masse corporelle minimale de Valentin afin qu'il ne dépasse pas la DJA? Quel est le volume d'eau maximal que Valentin peut boire par jour, sans dépasser la DJA? Quel est le nombre maximal de verre d'eau (de 25cL) que Valentin peut boire sans risque de dépasser la DJA? Quelque soit la problématique choisie, tous les élèves doivent : trouver la concentration massique en ions nitrite dans l'eau du robinet (courbe d'étalonnage + dilution) écrire l'équation d'oxydoréduction lien entre ions nitrite et ions nitrate n NO2 = n NO3 MAIS Cm NO2 Cm NO3 (erreur très souvent constatée) Conclure individuellement en fonction de la problématique énoncée par l'élève en début d'activité. Porter un jugement critique sur le résultat obtenu. (Remarque : une discussion est possible sur l'ajout de 0,2mL de réactif R de diazotation dans les 9,8 ml d'eau diluée lors de la mesure de l'absorbance impact de cette dilution sur la valeur de la concentration massique trouvée). Il est très intéressant de faire le bilan de l'activité (à la fin de la séance ou lors de la suivante) en classe, afin que chaque groupe puisse exposer sa problématique et proposer un schéma de résolution.

6 Autoévaluation guide à donner éventuellement en début de séance pour guider les élèves (les élèves suivant la spécialité physique sont souvent plus à l'aise..) S approprier Temps imparti A B C D Comprendre le problème Extraire l'information : Reformuler la problématique principale Trouver les problématiques secondaires 3 min 2 min Mise en commun ou vérification individuelle, au bout de 10 minutes maximum texte introductif : 2 min Quelles sont les données utiles dans les documents? (surligner...) doc 1 ; 2 ; 3 et 4 5 min Analyser A B C D Établir une stratégie de résolution pour répondre aux problématiques (schématisation ) secondaires puis principale 10 min Réaliser A B C D Mettre en œuvre la stratégie Effectuer les calculs nécessaires Estimer (éventuellement) les données manquantes 15 min Valider A B C D Discuter du résultat obtenu Porter un jugement critique 5 min Communiquer A B C D Rédiger une réponse argumentée 5 min Autonomie A B C D Savoir travailler seul ou en équipe Demander une aide pertinente (savoir identifier ses difficultés...) Grille d autoévaluation : Significations des critères A,B,C et D. A = Acquis, ou bien accompli B = Bon niveau d acquisition, ou tâche pratiquement accomplie. C = à travailler, ou peu accompli D = suivre une formation, ou non abordé

7 Exemples de schéma de résolution Problématique n 1 : Concentration massique ions nitrite Masse des ions nitrate apportée par l'eau Masse totale d'ions nitrate ingéré conclusion Estimation du volume d'eau consommé Détermination DJA Problématique n 2 Estimation de la masse de Valentin Estimation du volume d'eau consommé Masse des ions nitrate apportée par l'eau Masse totale des ions nitrate Masse corporelle minimale (de Valentin) conclusion Concentration massique ions nitrite DJA Problématique n 3 Concentration massique ions nitrite Volume d'eau maximal pouvant être ingéré par Valentin conclusion Masse maximale des ions nitrate apportée par l'eau DJA Estimation de la masse de Valentin

8 Pour toutes les problématiques : trouver la concentration massique des ions nitrite dans l'eau Concentrations massiques des solutions étalons Courbe d'étalonnage A = f(c m ) Équation de la droite A = 0,51 C m Concentration massique ion nitrite dans l'eau diluée Concentration massique ion nitrite dans l'eau Équation de la réaction d'oxydoréduction Quantité matière puis masse des ions nitrate dans l'eau

9 Autoévaluation formative (à donner en fin de séance) S approprier A B C D Comprendre le problème Extraire l'information : Quelles sont les données utiles dans les documents? Reformuler la problématique principale Trouver les problématiques secondaires Trouver la masse en ions nitrate apportée : par l'eau par l'alimentation texte introductif : DJA masse en ions nitrate apportée alimentation des nitrates sont apportés par l'eau consommée doc 1 : nécessité de transformer les ions nitrate en ions nitrite doc 2 : dilution par 10 de la solution contenant les ions nitrite doc 3 : absorbance des solutions étalons en fonction de leur concentration massique en ions nitrite doc 3 : absorbance de la solution diluée P' 1 (issue de l'eau du robinet) doc 4 : couples rédox + masse molaire (+ spectre d'absorption A =f()) Analyser A B C D Établir une stratégie de résolution pour répondre à la problématique trouver ou exploiter la DJA courbe d'étalonnage A = f(c m ) déterminer la concentration massique en ions nitrite : dans l'eau diluée (10 fois) dans l'eau du robinet écriture de l'équation d'oxydoréduction lien entre les ions nitrate et les ions nitrite déterminer la grandeur nécessaire permettant de répondre à la problématique énoncé (masse ions nitrate ou volume d'eau maximal...) Réaliser A B C D Mettre en œuvre la stratégie Effectuer les calculs nécessaires DJA concentration massique en ions nitrite dans P' 1 concentration massique en ions nitrite dans P 1 équation d'oxyd réduction entre NO 3 et Cd quantité de matière en ions nitrate dans l'eau masse de nitrate apportée par l'eau consommée Estimer éventuellement les données manquantes nécessaires : masse d'un homme et / ou consommation journalière d'eau Répondre à la problématique Valider A B C D

10 Discuter du résultat obtenu : comparaison avec la DJA Porter un jugement critique Communiquer A B C D Rédiger une réponse argumentée en relation avec la problématique énoncé Autonomie A B C D Savoir travailler seul ou en équipe Demander une aide pertinente et ne pas rester bloqué... Fiche d'aide : Comment ajuster une demiéquation électronique? Exemple avec le couple MnO 4 (aq) / Mn 2+ (aq) 1. On commence par écrire une ébauche, en plaçant : l oxydant d un côté de l égalité et le réducteur de l autre le symbole de l'électron du coté de l'oxydant. MnO 4 (aq) + e Mn 2+ (aq) 2. On ajuste les coefficients stœchiométriques pour que les éléments chimiques autres que O et H soient conservés. Ici, les deux coefficients sont égaux à 1 : 1 MnO 4 (aq) + e 1 Mn 2+ (aq) 3. On ajuste ensuite le nombre d O avec des molécules d eau H 2 O : 4. On ajuste le nombre de H avec des H + (en milieu acide) : 5. Enfin, on ajuste les charges grâce aux électrons : MnO 4 (aq) + e Mn 2+ (aq) + 4 H 2 O(l) MnO 4 (aq) + 8 H + (aq) + e Mn 2+ (aq) + 4 H 2 O(l) MnO 4 (aq) + 8 H + (aq) + 5 e Mn 2+ (aq) + 4 H 2 O(l) Exemples de résultats pouvant être obtenus : Pour toutes les problématiques : Doc 3 : permet de tracer une courbe d'étalonnage (utilisation du tableur, calculatrice...) A = 0,91 c m (avec c m en mgl 1 ) et A P'1 = 0,431 donc c mp'1 = 0,47 mg.l 1 Doc 2 : L'eau issue de la colonne (P 1 ) a été diluée 10 fois : c P1 = 10. c mp'1 = 4,7 mg.l 1 c P1 correspond à la concentration massique des ions nitrite Doc 4 : Permet d'écrire l'équation d'oxydoréduction on en déduit que Cd(s) + NO 3 (aq) + 2 H + (aq) Cd 2+ (aq) + NO 2 (aq) + H 2 O(l) n NO3 =n NO2 = C mp 1 V eau M NO2 Suivant la problématique choisie : en bleu les grandeurs à estimer par l'élève

11 Quelle est la masse totale d'ions nitrate ingérée par Valentin, puis comparaison avec la DJA? Masse d'ions nitrate apportée par la consommation d'eau : Pour un volume quotidien d'eau ingéré de V eau = 1,5 L Masse totale d'ions nitrate ingérée : m totaleno3 Comparaison avec DJA Pour un homme de masse m homme = 60 kg : DJA = 60. 3,65 = 219 mg m NO3 =n NO3 M NO3 = C mp 1 V eau m NO3 = 9,5 mg = 9, = 185 mg M NO2 M NO3 Conclusion. m totaleno3 < DJA car 185 mg < 219 mg Quelle est la masse corporelle minimale de Valentin afin qu'il ne dépasse pas la DJA? Masse d'ions nitrate apportée par la consommation d'eau : Pour un volume quotidien d'eau ingéré de V eau = 1,5 L Masse totale d'ions nitrate ingérée : m NO3 =n NO3 M NO3 = C mp 1 V eau m NO3 = 9,5 mg M NO2 M NO3 m totaleno3 = 9, = 185 mg Masse minimale de Valentin Conclusion m Valentin m totale.ions.nitrate DJA = 51 kg Quel est le volume d'eau maximal que Valentin peut boire par jour, sans dépasser la DJA? DJA pour un homme de masse m Valentin = 60 kg M valentin = 60. 3,65 = 219 mg Masse maximale d'ions nitrate apportée par l'eau : m NO3 = = 44 mg Volume d'eau maximal Conclusion. m NO3 =n NO3 M NO3 Veau = M NO2 M NO3 = m NO 3 c mp 1 C mp 1 V eau M NO2 = 6,9 L M NO3 Quel est le nombre maximal de verre d'eau (de 25cL) que Valentin peut boire sans risque de dépasser la DJA? Idem cidessus V eau = 6,9 L V 1verre = 25 cl donc le nombre de verre est de : N verre = 27,6 = 27 verres